基于項目驅(qū)動的研究生線上線下混合教學實踐

關鍵詞：項目驅(qū)動；線上線下混合教學；研究生教育；創(chuàng)新能力

0 引言

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設 [1]，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》[2]《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[3]，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。

嵌入式系統(tǒng)作為智能制造、智能儀器和人工智能產(chǎn)品等領域的核心技術(shù)，具有廣泛的應用價值。新工科背景下，研究生通過學習該課程，可以掌握相關領域的基本原理和開發(fā)方法，培養(yǎng)系統(tǒng)軟硬件設計能力，為后續(xù)科研工作奠定基礎，培養(yǎng)出符合現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的工程應用型人才。

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學中，仍然存在著以教師講、學生聽的被動教學模式，教師側(cè)重基礎理論講解，忽視了線下教學與線上資源的融合，實踐動手操作不足，忽略了復雜工程問題能力的培養(yǎng)，已無法滿足新時代工程技術(shù)人才需求。因此，傳統(tǒng)的教學模式改革勢在必行。本文提出以項目驅(qū)動為主線，將線上線下高度融合，采用三位一體的教學模式進行改革嘗試。近年來，新工科背景下，基于項目驅(qū)動及線上線下混合新模式，國內(nèi)各高校也進行了積極研究與探索[4]。本文根據(jù)《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐》課程目標要求，結(jié)合研究生群體特點，對基于項目驅(qū)動的線上線下混合教學特點、實施方法、具體案例、教學成效等方面進行探索。

1 傳統(tǒng)教學存在的問題

嵌入式系統(tǒng)課程的抽象性和復雜性使得教學在有限課時內(nèi)面臨許多挑戰(zhàn)。以筆者所承擔的機械、儀器專業(yè)為例，研究生電學和軟件基礎參差不齊，有限課時內(nèi)難以覆蓋所有知識點，增加了教學難度。主要問題歸納如下。

1.1 課程缺乏任務導向，學習目標不明確

研究生對課程學習目標和知識體系缺乏清晰認識，學習方法和思維仍停留在本科學習階段。嵌入式系統(tǒng)課程要求學生具備模電、數(shù)電、電子線路CAD、C 語言等基礎知識，強調(diào)通過實踐促進知識的掌握，傳統(tǒng)重理論輕實踐的授課方式已不能滿足新工科學生培養(yǎng)的要求。同時，學生學習過程缺乏任務導向，無法有效對內(nèi)容進行邏輯上串聯(lián)融合。

1.2 線上線下兩者孤立，難以有效適配課堂

近幾年來，隨著線上教學平臺的快速發(fā)展，學生通過線上教學資源輔助學習成為線下學習的一種有益補充。但線上資源主要以理論教學為主，其教學內(nèi)容、教學方法、進度安排和學校線下教學有著較大區(qū)別，無法提供個性化輔導、無法面對面交流、無法開展工程項目實踐。這導致線上教學資源不能很好融入線下教學體系中，造成了兩者的孤立。

1.3 項目訓練不足，學生實踐動手能力較低

教師只注重對理論知識的傳授，容易降低學生的學習興趣。傳統(tǒng)授課過程中往往僅限于某個教學案例的講解與驗證，學生也僅是針對單個知識點進行驗證性實驗，案例綜合性不夠。如果將以理論知識傳授為中心轉(zhuǎn)變成以工程項目為中心，則應根據(jù)項目需求對教學內(nèi)容進行調(diào)整，線上教學平臺注重基礎理論，以學生自學為主，線下教學重視綜合性項目的講解，對最核心、最具工程性的內(nèi)容有所側(cè)重。

1.4 考核形式單一，成績不能有效反映學生能力

在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學中，教師對研究生的考核和評價主要依靠平時作業(yè)和期末考試。然而， 這種方式缺乏研究生綜合實踐能力的綜合考核，也缺乏過程性評價。對學生的學習情況和效果無法有效跟蹤，也無法有效激發(fā)學生的學習積極性和主動性。

2 混合教學模式的設計與實施

如圖1所示，構(gòu)建了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐課程的混合教學體系結(jié)構(gòu)，包括線上教學、線下教學、考評方式、預警系統(tǒng)等模塊。要求學生做好課前預習、加強課中互動、重視課后復習。改革線上作業(yè)訓練方法，夯實理論基礎，提升學習效果。增加基礎實驗和綜合項目實驗，培養(yǎng)學生實踐能力。此外，精心設計項目案例庫，增加線下課堂項目案例演示與分析。增加過程性評價，全面跟蹤學生學習質(zhì)量，建立預警機制，對教學進行持續(xù)改進。

2.1 采用“類比教學、由淺入深、循序漸進”的教學方法

引入課程內(nèi)容時，首先帶領學生回憶本科期間所學的單片機裸機開發(fā)的方法，然后由淺入深，循序漸進。微處理器的世界比較抽象，如何能將無形的看不見的世界呈現(xiàn)在學生面前，需要生動形象的類比。因此，教學中可以將單片機的世界與客觀真實世界中的物體、事件相類比，使問題從抽象到具象，增加了趣味性，使理解更加容易。例如將 CPU 比作人的“大腦”，將總線 BUS 比作“高速公路的車道”，將串行通信比作“獨木橋”，將存儲器的地址比作“房間號”，尋址概念比作“根據(jù)號碼找房間”等。加強學生的抽象思維和邏輯思維能力的培養(yǎng)，并對于如何學好嵌入式系統(tǒng)課程給出一些切實可行的建議。考慮到大部分機械專業(yè)研一學生的單片機與編程能力較差，線上平臺鏈接了國內(nèi)相關優(yōu)質(zhì)C語言教學視頻課程，并鏈接相關書目進行課后學習，布置基礎題目，進行基礎訓練，幫助學生進行能力提升。

2.2 建設優(yōu)質(zhì)的線上教學資源新平臺

建設優(yōu)質(zhì)的線上資源，制作高質(zhì)量的教學微視頻，打造全面的作業(yè)庫和試卷庫，建立科學的線上考評方法。教學微視頻包括基礎理論教學微視頻、項目教學微視頻。教學微視頻供學生課前預習和課后復習。項目教學微視頻供教師線下上課講解，及學生課后反復研看，學生在項目中體會項目中所包含的知識點，增加學習的興趣，提升學生對復雜工程問題的解決能力。除此以外，線上教學資料還包括教學日歷、電子教案、電子教材、電子手冊、程序源碼案例等，并在開課前引導學生如何學習本門課程。總之，線上教學平臺為學生提供了豐富的教學資源和科學合理的訓練模式，充分助力學生學習。

2.3 構(gòu)建“項目驅(qū)動、實踐同步”的教學新模式

教學過程中，構(gòu)建了“項目驅(qū)動、實踐同步”的教學方法。在每一章節(jié)的教學中，精心設計了與機械與儀器相關的項目案例，課堂講授時“先理論后演示”或“邊理論邊演示”，進行實踐化同步教學，詳細分析項目所涵蓋的知識點，對每個知識點的硬件和軟件進行詳細講解，課后讓學生編程復現(xiàn)項目功能要求，這既降低了綜合項目學習的難度，又給了學生實踐鍛煉的機會，大大提高了學生的學習興趣。所有項目的實際案例均在網(wǎng)上發(fā)布，供學生反復研看。通過線上線下一體化的項目驅(qū)動教學方法，使學生能綜合運用所學知識，鞏固了理論知識，提高了實際動手能力，提高了教學效果。

2.4 打造靈活的線上線下互動新方式

通過線上教學平臺，積極與學生線上互動，線上教學的互動與線下面對面互動方法不同，其有著一定的趣味性和靈活性，線上活動包括投票、選人、搶答、主題討論、隨堂練習、問卷等方式，方式多種多樣。數(shù)據(jù)可記錄可評價，對于全面了解學生學習效果，進行質(zhì)量分析與評價十分有效。線下課堂中，師生之間、學生之間能夠進行直接的交流。線下教學中，教師可通過翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論、課堂交流、辯論、合作等方式與學生互動，教師根據(jù)學生的反應，把控教學節(jié)奏。線上線下互動方法是有益的互補。此外，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐課程中學生還可以通過線上平臺的消息功能、QQ、微信等方式與教師交流，反饋自己遇到的困惑，獲得個性化指導。

2.5 完善科學合理的教學評價體系

線上評價具有便捷、高效、數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)勢，能夠?qū)崟r收集研究生的學習行為數(shù)據(jù)，如在線課程的參與度、作業(yè)完成情況等。線下評價則能更直觀地考查研究生的實踐能力、面對面交流能力和綜合素質(zhì)。要整合線上線下的評價數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫對接和綜合分析。同時，制定科學合理的評價指標體系，涵蓋創(chuàng)新能力、實踐表現(xiàn)等多個維度。通過建立線上線下評價的融合機制，能夠更準確、全面地反映研究生的學習成果和發(fā)展狀況，為研究生教育質(zhì)量的提升提供有力保障。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理與實踐課程教學中，作者完善了線上線下量化綜合考評體系，線上考評包括作業(yè)、視頻、基礎學習、互動等，線下考評包括實驗、課堂表現(xiàn)等，使得課程評價更全面、科學、合理。

2.6 積極融入思政教育

在課程教學中積極將教育的首要目標“立德樹人”融入課堂教學中去，教學過程中培育和踐行社會主義核心價值觀，培養(yǎng)擔當民族復興大任的時代新人，充分挖掘?qū)I(yè)知識中的德育元素，實現(xiàn)專業(yè)課與思想政治教育的有機融合。例如，當項目中用到定時器知識時，引導學生將定時器和百米賽跑裁判員的秒表聯(lián)系起來。告訴學生微處理器中定時器的原理其實來源于自然，芯片中定時器功能的實現(xiàn)和秒表計時有異曲同工之妙，告訴學生我國的半導體技術(shù)水平當前仍然落后，尤其是光刻機技術(shù)離發(fā)達國家還有較大差距，研究生更應該擔負民族復興的重任，激發(fā)學生的責任感。

3 機電綜合項目驅(qū)動實施案例：高精密機械轉(zhuǎn)臺自動控制系統(tǒng)

在機械專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程教學中，精心設計了項目案例。以“高精密機械轉(zhuǎn)臺自動控制系統(tǒng)”項目為例，教學過程中，教師將項目貫穿教學始終，讓學生帶著問題去學，根據(jù)項目功能了解哪些章節(jié)需要著重學習。該系統(tǒng)需要實現(xiàn)圓形轉(zhuǎn)臺的超高精度控制，包括轉(zhuǎn)速、方向、角度的控制，以及限位控制和人機交互。要求學生掌握伺服電機的控制方法、多個光電傳感器信號的識別、觸摸屏的控制等。相關知識點涵蓋微控制器的 GPIO 控制、定時器、中斷系統(tǒng)、串口通信等。

在項目導入階段，教師詳細介紹了項目的背景和需求，以及本項目的目標和任務。學生迅速組建項目團隊，有負責控制系統(tǒng)硬件開發(fā)的、有負責信號采集數(shù)據(jù)、有負責軟件編程的、有負責人機交互的等。在線上自主學習階段，學生通過在線課程平臺學習了6fk1HExgdbZPb8OjT7+yXw==GPIO控制、定時器、中斷系統(tǒng)、串口通信等理論知識，并觀看了相關的伺服電機控制方法案例視頻。他們在討論區(qū)積極交流，探討項目中可能遇到的控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題及解決方案。在線下課堂教學階段，教師針對學生在線學習中遇到的難題進行深入講解，學生以項目團隊為單位進行方案設計，經(jīng)過多次討論和修改，確定了最終的系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊。

在項目實踐階段，學生分工合作。在實踐過程中，他們遇到了控制角度精度低、響應速度慢等問題，但通過在線平臺與教師和同學溝通交流，共同尋找解決方案。教師也定期對學生的實踐過程進行跟蹤和指導，確保項目順利進行。

在項目總結(jié)階段，學生以小組為單位進行項目匯報，展示了系統(tǒng)實現(xiàn)方案，進行系統(tǒng)運行演示。教師對項目成果給予了高度評價，并提出了優(yōu)化建議。通過此項目，學生切實掌握了實現(xiàn)機械產(chǎn)品智能化的設計方法，積累了設計經(jīng)驗，提升了實踐能力和創(chuàng)新能力。

4 教學效果

將上述教學模式應用于2023—2024級機械專業(yè)研究生嵌入式系統(tǒng)課程，對其進行效果評價，如圖2所示。2022年未實施項目驅(qū)動教學，僅使用線上線下混合教學，2023—2024級全面實施基于項目驅(qū)動的混合教學模式?？梢钥闯?，五項考核內(nèi)容的平均成績均呈現(xiàn)上升趨勢，說明以項目為主線，與線上線下混合教學相融合的授課方式能夠幫助學生提高綜合素質(zhì)與實踐能力。

課程結(jié)束研究生達到了進入項目研究的能力要求，許多研究生可以利用所學知識快速進行項目開發(fā)。實踐表明，以教師為中心轉(zhuǎn)移到以學生為中心，以理論教學為中心轉(zhuǎn)移到以項目為中心的教學模式，能夠解決傳統(tǒng)授課方式存在的不足。能夠讓學生在深入理解基本理論、獨立思考、團隊合作、實踐能力、論文撰寫、邏輯思維等方面的綜合能力都得到提升，符合工程實際的需求。

5 結(jié)論與展望

在持續(xù)的項目驅(qū)動與線上線下深度融合創(chuàng)新改革過程中，嵌入式系統(tǒng)課程教學質(zhì)量不斷提升，收獲了良好的教學效果，但也存在一些問題和不足，例如項目與科研課題、企業(yè)需求、前沿技術(shù)等結(jié)合不夠緊密，考評方式不夠全面等。在今后的教學中，將進一步優(yōu)化項目內(nèi)容，探索更優(yōu)質(zhì)的教學方法和策略，不斷改進教學內(nèi)容和教學資源，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高層次人才作出貢獻。